氣球的新用途

竇光宇

2003年9月，一位英國探險家乘坐柳條籃老式熱氣球成功飛越大西洋的壯舉，轟動了整個世界。不僅使他成為世界上乘坐氣球飛越大西洋的第一人；同時也讓人們對氣球誕生以來所發(fā)揮的作用，注入了新的注意力。

最早使用的航天器

我國歷史上的“三國”時期，著名軍事家諸葛亮發(fā)明了一種橢圓形的“孔明燈”。這種燈高12米。直徑8米，用藤條做骨架，外面用棉紙裱糊，下面系有盛滿動物油的器皿。使用時，在底口處點燃柴火，引燃器皿里的油，并讓熱氣沖入燈殼內使燈升空，用以及時指揮和調動部隊。“孔明燈”能夠在空中飄浮很長時間，直到燃油燒盡后才慢慢墜落下來。于是，人們把它認作是世界上最早的熱氣球。

不過，真正意義上的熱氣球，發(fā)明人應當是法國的蒙哥爾費兄弟。他們是里昂附近的造紙工人，當看到碎紙片在篝火上飛舞時，兩人不約而同地產生了利用熱空氣制造飛行物的念頭。他們先是用紙袋，然后又用布袋，經過多次試驗，一步步地走向成功。終于在1783年6月5日公開進行了巨大熱氣球的升空表演。熱氣球飛行的原理是加熱熱氣球氣囊中的空氣，使空氣的體積膨脹，從而導致氣囊中空氣的密度減小。當空氣的浮力大于熱氣球本身的重力時，熱氣球就會上升。通過控制熱氣球上攜帶的燃燒器點火、熄火的間隔時間，就能調整球囊溫度和氣體密度，從而控制熱氣球的上升和下降，根據(jù)不同高度層的風向，熱氣球就能控制和調整自己的前進方向。

在熱氣球發(fā)明的同時，科學家們還研制出了氫氣球。法國物理學家雅克·查理被公認是氫氣球的鼻祖。1783年8月27日，第一只無人操縱的氫氣球放飛，這只氣球上升了900米，飛行24千米。12月1日，雅克·查理又駕駛氫氣球飛越巴黎上空，兩小時后，在距巴黎43千米的小鎮(zhèn)上安全降落。氫氣球的工作原理和熱氣球差不多，只不過是利用氫氣替代了熱氣球中的空氣。由于氫氣與氧氣混合后容易發(fā)生爆炸，極不安全，因此，后來人們又開始利用非常穩(wěn)定的氦氣來代替氫氣，使氣球的安全系數(shù)大大提高。

重要的科研工具

隨著各種先進的飛行器不斷出現(xiàn)，作為運輸裝置的氣球已經慢慢退出人們的視野。但是在科學研究方面，氣球仍然有著不可替代的地位。

1927年，美國有一位名叫格林的科研人員，在氣球吊籃里放了兩個可以加熱的氧氣瓶，跨過了高空平流層，升到了12000米以上?，F(xiàn)在，有越來越多的科學家們利用氣球來探測平流層。這種在平流層進行科學研究的氣球被稱為高空科學氣球，是進行高空科學觀測或實驗的一種運載工具。它的飛行高度雖然不如衛(wèi)星，卻比飛機高得多，一般可達40～50千米。

美國、法國等國家，近年來陸續(xù)建立了許多氣球通信站。這種通信站的傳播能力相當于地面站的15倍，而造價只有地面站的1/5。為了使沙漠、海島等一些偏遠地區(qū)也能收看到電視節(jié)目，人們還采用了“氣球電視臺”。用繩索系住的氣球上攜帶著廣播電視設備及輕便發(fā)電機，地面上裝有控制和操作系統(tǒng)。由于氣球可上升到3～4千米的高空，因而電視信號的覆蓋面積可達12～20平方千米。在采用氣球電視臺的地區(qū)，不需要安裝特制的天線就可以收看1～68個頻道的電視節(jié)目。

另外，高空氣球還能進行搭載實驗。近年來，為了利用空間條件來使生物誘變育種，我國已經多次利用衛(wèi)星和高空氣球先后將藻類、水稻、小麥、蘆筍、玉米、大麥、棉花、谷子、大豆、綠豆、豌豆、紅小豆、黃瓜、人參、自蓮、辣椒等51種作物300多品種及幼苗搭載升空。

奇妙的空中武器

20世紀40年代以來，氣球在軍事上的作用進一步得以顯露。在第二次世界大戰(zhàn)中，許多國家都用過氣球迎戰(zhàn)御敵，并取得戰(zhàn)爭的勝利。1940年，德國空軍向蘇聯(lián)首都莫斯科發(fā)動進攻，當飛到莫斯科上空時，只見無數(shù)氣球隨風飄蕩。氣球之間用鋼索相連形成網(wǎng)狀，嚴密地封鎖了德國飛機進襲的去路，致使多架德國飛機纏掛住鋼索網(wǎng)而機毀人亡。1944年，在英國倫敦保衛(wèi)戰(zhàn)中，為了抗擊德國飛機的進犯，英國軍方在倫敦上空布設了1700多只防空氣球，并與殲擊機、高射炮錯落配置，密切配合，共摧毀德國231枚V-1型火箭。

具有出色本領的氣球武器，現(xiàn)已廣泛用于軍事領域。在預警防空方面，飛行的氣球配以高性能的雷達，警戒距離可以達到250千米。若配置2套相距400千米并裝有預警設備的氣球，可以使預警探測距離達900千米以上，相當于20多部地面警戒雷達的探測覆蓋面積。

英國一家公司最近研制成氣球防空系統(tǒng)，將氣球與煙霧相結合，把雷達反射體和紅外誘餌一起帶到1000多米的高度，可以形成有效的防空屏障，來截獲低空突襲的飛機。

新型太陽能收集器

以色列科學家開發(fā)出一種可以升到幾百米高空的太陽能板氣球，這種裝置造價低廉，發(fā)電效率高。

太陽能是地球上隨處都可以得到的綠色能源，許多國家都在發(fā)展太陽能發(fā)電。建造大規(guī)模太陽能電站面臨的重要問題，是需要有寬闊的空地來放置太陽能電池板；而且，太陽能電池板造價過高、發(fā)電效率低下，也是難以突破的瓶頸。

為了有效地解決這些問題，以色列的研究人員成功推出了太陽能氣球系統(tǒng)。只要在這些氣球的表面，貼上厚度只有0.2厘米的太陽能板，然后放到幾百米的高空，數(shù)以千計的藍色氣球高高掛在天空，馬上就成了小小發(fā)電廠。充滿氮氣球體的表面是薄膜。柔軟的光電板用來捕獲太陽光線。該系統(tǒng)通過電纜與地面相連，把太陽能傳送回到地球。

由于發(fā)電器采用球形和盤狀的設計，在一天的不同時間都可以充分地接收陽光的直射，因此大大提高了發(fā)電效率。一個直徑3米的氣球能夠產生1000瓦的電力，效能和一個25平方米的傳統(tǒng)太陽能板相同。然而，傳統(tǒng)的太陽能電池板要考慮角度問題，有時還會被高樓大廈的陰影擋住，而氣球不管怎樣轉，都能捉得到陽光。

太陽能板氣球的最大好處是不受地形限制、隨處可用，而且還可以在空中待上1年。在海洋或沙漠地區(qū)，雖然陽光充沛，但由于很難建立發(fā)電設施，往往白白浪費了豐富的太陽能。在這些不可能蓋發(fā)電廠的地方，太陽能板氣球就能派上用場。另外，由于這套設施的使用和拆卸都比較方便，還可以給暫時性斷電的地區(qū)提供緊急幫助。如果有地區(qū)因為天災停電，也可以拿太陽能板氣球應急發(fā)電。

研究人員在以色列的幾個地點進行測試，數(shù)據(jù)表明，太陽能板氣球成本只要4000美元，只是傳統(tǒng)太陽能板的40％，比傳統(tǒng)方法降低了一半還多。此外，在節(jié)省地面空間的同時，還可以節(jié)省建造建筑物等設施的費用。

利用氣球宇宙探秘

人類的探測器到達火星已經有兩年多的時間。然而，火星上的地表十分崎嶇不平，運行的火星車行動十分緩慢。為了克服火星車的這些缺陷，美國研究人員研制了一種最理想的可操控氣球系統(tǒng)。它不但行動快，還可用來運載探測儀器，讓儀器既能接近地表，又不會被撞壞。氣球的制造和使用的成本低，能源消耗少，被認為是一種獨一無二的太空探測平臺。這個工作系統(tǒng)的原理很簡單，不過是學習了動物尾巴控制方向的本領，氣球拖著一根幾千米長的繩子，通過導航系統(tǒng)來控制繩子的擺動方向，氣球會因此改變航行方向。氣球下端裝有一個儀器籃，其中有一臺攝像機和一些實驗儀器盒。攝像機觀測火星的地表特征，在地球上的科學家通過這個攝像機觀測到值得研究的地點時，氣球慢慢降落到地表。此時，氣球上的自動推動系統(tǒng)拋下一個可實驗儀器盒到火星表面，盒中的儀器啟動后進行更深入的探測工作。目前，環(huán)球宇航公司的研究人員正在對研制成功的導航氣球進行測試，測試成功后將在5年內送到火星上進行探測工作。

另據(jù)報道，日本和美國聯(lián)合組成的研究小組，同樣采取利用氣球進行宇宙觀測的方式。為了使氣球持續(xù)飛行、觀測數(shù)據(jù)大幅度增加，他們計劃將原設立在北美加拿大的實驗觀測地遷移到南極。在南極上空放飛氣球，可以使原來當天放出、當天收回的工作程序，延長到兩個星期。從而能夠收集到更多的有力證據(jù)。

責任編輯龐云